آشکارساز موج گرانشی، نظریههای اینشتین و هاوکینگ را تأیید میکند: «این واضحترین دیدگاه تاکنون از ماهیت سیاهچالهها است.»
«GW250114 بلندترین رویداد موج گرانشی است که تا به امروز شناسایی کردهایم؛ مانند زمزمهای بود که به فریاد تبدیل میشد.»
تصویری از GW250114، برخوردی قدرتمند بین دو سیاهچاله که امواج گرانشی ایجاد کرد که توسط LIGO مشاهده شده است که از یکی از سیاهچالههای درگیر دیده میشود. (اعتبار تصویر: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI)
رصدخانه موج گرانشی تداخلسنج لیزری (LIGO) با تأیید پیشبینیهای چهرههای برجسته فیزیک، آلبرت اینشتین، استیون هاوکینگ و روی کر و بهطور بالقوه آشکار کردن مسیری به سوی نظریه گرانش کوانتومی – دهمین سالگرد علم امواج گرانشی پیشرفته را جشن میگیرد.
LIGO با شناسایی امواج گرانشی یا موجهای کوچک در فضا-زمان به این دستاورد جدید دست یافت. وجود امواج گرانشی اولین بار توسط اینشتین در نظریه گرانش نسبیت عام خود در سال ۱۹۱۵ پیشبینی شد. موجهای تازه شناساییشده ناشی از برخورد دو سیاهچاله است که تخمین زده میشود هر کدام جرمی حدود ۳۲ برابر خورشید داشته باشند.
تنها چهار روز دیگر، در ۱۴ سپتامبر، LIGO دقیقاً دهمین سالگرد اولین شناسایی امواج گرانشی را جشن خواهد گرفت. این سیگنال که GW150914 نامگذاری شده است، حدود ۱.۳ میلیارد سال طول کشیده تا به زمین برسد. تشخیص آن، روشی کاملاً جدید در نجوم را نشان میداد – راهی برای “شنیدن” زنگ فضا-پس از برخی از قدرتمندترین رویدادها در کیهان به جای “دیدن” آنها با تکیه بر تابش الکترومغناطیسی. از آن زمان، LIGO و شرکای آشکارساز موج گرانشی آن، Virgo و آشکارساز موج گرانشی Kamioka (KAGRA)، سیگنالهای موج گرانشی زیادی را از برخوردهای سیاهچالهای دیگر، ادغام بین ستارههای نوترونی و حتی از دو “ادغام مختلط” نادر شامل یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله شناسایی کردهاند.
ماکسیمیلیانو ایسی، عضو همکاری LIGO-Virgo-KAGRA از مرکز اخترفیزیک محاسباتی موسسه Flatiron، در بیانیهای گفت: “این واضحترین دیدگاه تاکنون از ماهیت سیاهچالهها است. ما برخی از قویترین شواهد تاکنون را یافتهایم که سیاهچالههای اخترفیزیکی، سیاهچالههایی هستند که از نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین پیشبینی شده بودند.”
نظریههای سیاهچاله با سیگنال موج گرانشی جدید تأیید شدند
این سیگنال تازه شناسایی شده، GW250114، در میان آشکارسازیهای قبلی به عنوان یکی از واضحترین سیگنالهای موج گرانشی تاکنون شناخته میشود.
گرینت پراتن، عضو همکاری LIGO-Virgo-KAGRA و محقق دانشگاه بیرمنگام، در بیانیهای جداگانه گفت: «GW250114 بلندترین رویداد موج گرانشی است که تا به امروز شناسایی کردهایم؛ مانند زمزمهای بود که به فریاد تبدیل میشد.» «این امر به ما فرصتی بیسابقه داد تا نظریههای اینشتین را از طریق برخی از دقیقترین آزمایشهای ممکن بررسی کنیم – و یکی از پیشبینیهای پیشگامانه استیون هاوکینگ را تأیید کنیم که وقتی سیاهچالهها ادغام میشوند، مساحت ترکیبی افقهای رویداد آنها فقط میتواند رشد کند، هرگز کوچک نمیشود.»
پیشبینی هاوکینگ شامل مرز بیرونی به دام انداختن نور یک سیاهچاله به نام افق رویداد است که نقطهای را نشان میدهد که در آن تأثیر گرانشی سیاهچاله آنقدر زیاد میشود که حتی نور به اندازه کافی سریع حرکت نمیکند تا از چنگال آن فرار کند. از آنجایی که گرانش با جرم مرتبط است، اندازه افق رویداد که به نام شعاع شوارتزشیلد نیز شناخته میشود – به افتخار کارل شوارتزشیلد، اولین فیزیکدانی که معادلات نسبیت عام را حل کرد و ناخواسته وجود سیاهچالهها را پیشبینی کرد – نیز به جرم سیاهچاله بستگی دارد.
هرچه جرم بیشتر باشد، افق رویداد وسیعتر است.
در سال ۱۹۷۱، هاوکینگ به همراه فیزیکدان یاکوب بکنشتاین پیشبینی کردند که وقتی سیاهچالهها با هم ادغام میشوند، مساحت کل افق رویداد سیاهچاله حاصله، بزرگتر از مساحت کل افقهای رویداد سیاهچالههای مادر خواهد بود. این دو نفر گفتند که افق رویداد مساحتی متناسب با سطح بینظمی یا “آنتروپی” خود خواهد داشت.
GW250114 نشان داد که سیاهچالههای مادر، مساحت سطحی حدود ۹۳۰۰۰ مایل مربع (۲۴۰۰۰۰ کیلومتر مربع) داشتهاند که تقریباً به اندازه کل بریتانیا است. با این حال، سیاهچاله دختر ایجاد شده توسط این ادغام، مساحت سطحی معادل ۱۵۴۰۰۰ مایل مربع (۴۰۰۰۰۰ کیلومتر مربع) دارد که تقریباً به اندازه سوئد است.
اینفوگرافیکی که پیشرفتهای رصدخانههای امواج گرانشی را نشان میدهد – از جمله دقیقترین دستگاههای اندازهگیری ساخته شده توسط بشر، در مشاهده برخوردهای کیهانی سیاهچالهها، با سیگنالهای ثبت شده در پنل پایین. (منبع تصویر: دکتر درک دیویس (Caltech، آزمایشگاه LIGO).)
پیشبینی دیگری که توسط این تحقیق تأیید شده است، از روی کر، ریاضیدان نیوزیلندی، میآید که هندسه کر را از نسبیت عام توسعه داد، که فضازمان خالی اطراف یک سیاهچاله چرخان یا یک سیاهچاله کر را توصیف میکند.
پس از ادغام بین سیاهچالهها، این سیستمها وارد مرحلهای میشوند که دانشمندان آن را فاز حلقهای مینامند. در این مرحله، سیاهچاله حاصله در حال ارتعاش و انتشار امواج گرانشی در فرکانسهای بسیار خاص، شبیه به “صدای” در حال تغییر سیاهچاله، است. کر پیشبینی کرد که “صدای” سیاهچاله را میتوان تنها با دو مقدار توصیف کرد: جرم سیاهچاله و چرخش آن.
این واقعاً سیاهچالهها را از سایر اجرام آسمانی، مانند ستارگان، که باید با استفاده از طیف وسیعی از ویژگیها توصیف شوند، متمایز میکند. نکتهی خارقالعاده در مورد این موضوع این است که یک سیاهچاله با جرم یک میلیارد برابر خورشید را میتوان تنها با دو عدد به طور کامل توصیف کرد: جرم و چرخش.
گرگوریو کارولو، عضو گروه همکاری LIGO-Virgo-KAGRA و محقق دانشگاه بیرمنگام، در این بیانیه گفت: «با توجه به وضوح سیگنال تولید شده توسط GW250114، برای اولین بار توانستیم دو «لحن» را از صداهای سیاهچاله تشخیص دهیم و تأیید کنیم که آنها مطابق پیشبینی کر رفتار میکنند و به این ترتیب شواهد محکم بیسابقهای برای ماهیت کر سیاهچالههای موجود در طبیعت به دست میآوریم.»
شبیهسازی رویداد ادغام سیاهچاله را در نقطه ادغام نشان میدهد و پس از آن یک زنگ هشدار میآید. (اعتبار تصویر: LIGO/Virgo)
آنچه در مورد این کشف جدید مناسب است، این واقعیت است که بسیار شبیه به سیگنالی است که LIGO در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، GW150914، برای ثبت تاریخ، شناسایی کرد.
پاتریشیا اشمیت، عضو تیم همکاری LIGO-Virgo-KAGRA و دانشیار دانشگاه بیرمنگام، گفت: «شناسایی یک سیاهچاله دوتایی با پارامترهای مشابه GW150914، اما سه برابر بلندتر، تنها یک دهه پس از کشف غیرمنتظره، مدیون پیشرفتهای عظیم فناوری ابزارهای ما است که راه را برای نجوم دقیق با امواج گرانشی هموار میکند.»
پیشرفتهای منظم و هدفمند، عامل ثابتی در حیات LIGO بودهاند، که شامل دو آشکارساز در واشنگتن و لوئیزیانا است که اکنون میتوانند اعوجاجهایی را در فضا-زمان اندازهگیری کنند که ۱/۱۰۰۰۰ عرض یک پروتون یا ۷۰۰ تریلیون برابر کوچکتر از عرض یک موی انسان هستند.
کیپ تورن، متخصص نظریه سیاهچالهها که به همراه وایس و بری باریش به خاطر توسعه LIGO جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۷ را دریافت کرد، در بیانیهای جداگانه گفت: «رای وایس مفهوم LIGO را در سال ۱۹۷۲ پیشنهاد داد و من فکر میکردم که ‘این اصلاً شانس زیادی برای عملی شدن ندارد’. سه سال طول کشید تا به طور پراکنده در مورد آن فکر کنم و ایدهها را با رای و ولادیمیر براگینسکی [یک فیزیکدان روسی] در میان بگذارم تا متقاعد شوم که این احتمال موفقیت قابل توجهی دارد. دشواری فنی کاهش نویز ناخواستهای که با سیگنال مورد نظر تداخل میکند بسیار زیاد بود. ما مجبور شدیم یک فناوری کاملاً جدید اختراع کنیم.»
چه کسی میتوانست پیشبینی کند که این فناوری میتواند در گشودن دریچهای جدید به مطالعه ما از جهان تا این حد موفق باشد؟ مطمئناً اینشتین نبود، کسی که وقتی وجود امواج گرانشی را نظریهپردازی کرد، پیشبینی کرد که هیچ ابزاری در زمین هرگز به اندازه کافی حساس نخواهد بود تا این امواج فضا-زمان را تشخیص دهد.
مدیر برنامه در بخش فیزیک بنیاد ملی علوم (NSF)، که از زمان آغاز به کار LIGO از آن پشتیبانی کرده است، در این بیانیه گفت: «تنها 10 سال پیش، LIGO برای اولین بار چشمان ما را به روی امواج گرانشی گشود و نحوه نگاه بشریت به کیهان را تغییر داد. یک جهان کامل برای کاوش از طریق این لنز کاملاً جدید وجود دارد و این اکتشافات اخیر نشان میدهد که LIGO تازه شروع به کار کرده است.»
پیشرفتهای آینده برای LIGO میتواند شامل اضافه شدن یک آشکارساز چهارم برنامهریزی شده باشد که این بار در هند واقع شده است و دقت LIGO-Virgo-KAGRA را در تعیین محل منابع امواج گرانشی بهبود میبخشد.
در مورد این نقطه عطف اخیر، مطمئناً اینشتین، هاوکینگ و وایس، که دومی ماه گذشته درگذشت، همگی از اینکه لیگو کارشان را بیشتر تأیید میکرد، هیجانزده میشدند.
اگر هاوکینگ زنده بود، از دیدن منطقه ادغام لذت میبرد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
Gravitational wave detector confirms theories of Einstein and Hawking: ‘This is the clearest view yet of the nature of black holes’
By Robert Lea
https://www.space.com/astronomy/gravitational-wave-detector-confirms-theories-of-einstein-and-hawking-this-is-the-clearest-view-yet-of-the-nature-of-black-holes